JACS：铜基催化剂高压电还原CO2高效制甲酸

匆匆走过

2020-04-07

       电催化CO₂还原（CO₂RR）是一种很有前途的缓解能源和环境问题的方法，但控制反应途径和产物仍然具有挑战性。甲酸是电催化CO₂还原有价值的燃料产物，可用于直接发电的燃料电池。Sn、Pb、和In是常见的电催化CO₂制甲酸的催化剂。Cu基催化剂可以产生碳氢化合物和乙醇，但是伴随着析氢反应（HER），甲酸的法拉第电流效率较低并且分布在含有较多液相产物的液相电解质中，需要特殊的分离处理。

       提高电催化性能的有效途径是增加阴极的CO₂供给量。根据亨利定律，活性溶剂化/水合CO₂（aq）和H₂CO₃物种在CO₂分压增加的情况下，电解质中的浓度响应增加。因此，在较高的CO₂压力下进行CO₂RR反应有利于提高电解液中活性炭的溶解度，提高电解液的效率。然而，铜基电催化剂在高压下通常产生不同的CO₂RR产物而没有高选择性。此外，在高压下一个未解决的挑战是缺乏有效的氧气释放（OER），使用非贵金属电催化剂与CO₂RR配对以获得高的整体能量转换效率。

       斯坦福大学的戴宏杰设计了一种超纯铜箔的方波电化学氧化还原循环处理方法，制备了富含（111）取向Cu₂O纳米粒子的亚微米厚膜，用于CO₂RR， CO₂压力为1-60 atm。

本文要点

      （1）在KHCO₃溶液中，45 atm以上，SW-Cu₂O/Cu电极抑制了析氢反应（HER），甲酸的法拉电第电流效率高达98%，连续运行20h，高效选择性生成甲酸具有良好的稳定性。

      （2）全电解槽与碳酸氢镍配合使用，可获得高达55.8%的能量效率，在新设计的KOH/硼酸盐催化剂中，能够在高CO₂压力下维持碱性pH环境。

      （3）全电解槽在不需要产品分离的情况下，生成的甲酸有效量约为~0.4g/cm²。

      研究结果对将电催化CO₂还原为一种具有高能量转换效率的液体产品具有一定的指导意义。

Jiachen Li, Yun Kuang, Yongtao Meng, Xin Tian, Wei-Hsuan Hung, Xiao Zhang, Aowen Li, Mingquan Xu,

Wu Zhou, Ching-Shun Ku, Ching-Yu Chiang, Guanzhou Zhu, Jinyu Guo, Xiaoming Sun, and Hongjie Dai

，Electroreduction of CO2 to formate on copper based electrocatalyst at high pressures with high energy conversion efficiency，JACS，2020

DOI: 10.1021/jacs.0c00122

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00122